CN101978243A

CN101978243A - 跟踪系统和方法

Info

Publication number: CN101978243A
Application number: CN2009801099990A
Authority: CN
Inventors: C·普罗克斯; L-P·阿米欧特; Y·布廷; Y·布里顿; K·杜瓦尔; B·佩尔蒂埃; A·理查德; M·瓦林
Original assignee: Orthosoft ULC
Current assignee: Allsofft unlimited liability company
Priority date: 2008-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2029-03-25
Also published as: AU2009227956B2; US9144470B2; US20090247863A1; CA2715898C; CA2715898A1; AU2009227956A1; EP2257771A1; JP2011517971A; CN101978243B; EP2257771A4; WO2009117832A1

Abstract

本发明提供了一种用于跟踪物体的跟踪系统。第一和第二可跟踪部件均具有至少产生基于方向的数据的惯性传感器单元。处理单元从可跟踪部件接收基于方向的数据。处理单元具有方向计算器，其根据两个所述可跟踪部件的基于方向的数据来计算第二可跟踪部件相对于第一可跟踪部件的方向，由此，处理单元计算物体的方向。本发明还提供了一种方法。

Description

跟踪系统和方法

对相关申请的交叉引用

本专利申请要求在2008年3月25日提交的美国临时专利申请No.61/039,184和在2008年9月25日提交的美国临时专利申请No.61/100,173的优先权。

技术领域

本申请涉及例如用于计算机辅助手术系统的跟踪系统，并且更具体地，涉及在计算机辅助手术期间用于手术器械跟踪的器具以及涉及用于标定惯性传感器的方法。

背景技术

手术器具或器械的跟踪是计算机辅助手术(下文称CAS)的必要部分。以获得与身体部分有关的信息的方式来跟踪器械的位置和/或方向。这些信息随后被用于对于身体的各种介入(例如，整形外科手术、神经手术)，比如手术期间的骨骼改变，植入物定位，切割等等。

跟踪系统可使用不同的技术，例如机械、声学、磁、光学和射频跟踪。取决于所应用的技术，不同类型的可跟踪部件被永久地或临时地固定于需要被跟踪的物体上。例如，在整膝盖替换(TKR)手术期间，可跟踪部件固定在肢体和不同的手术器具上，并且这些可跟踪部件由跟踪系统跟踪。CAS系统计算与跟踪有关的位置和方向数据，并且这些由计算机显示的信息被外科医生所利用，以便显现被操纵的器具相对于肢体的位置，或以数值的形式显示。

通常使用两种类型的跟踪系统。有源跟踪系统提供发射器作为被跟踪的器械上的可跟踪部件，该发射器发射由CAS系统的处理器所接收的信号，该处理器将根据所接收到的信号计算器械的位置和/或方向。有源跟踪系统的发射器，例如通过导线连接到CAS系统或通过提供有独立的电源来供电，以便发出信号。

无源跟踪系统不在器械上提供有源发射器作为可跟踪部件。与无源跟踪有关的CAS系统提供有光学传感器装置，以便视觉检测器械上的光学元件。光学元件是无源的，由此，没有电源与其相关联。

为了获得位置和/或方向值，光学元件必须在光学传感器装置的视线内。相应地，利用无源跟踪系统，根据光学传感器装置和光学元件之间所要求的可见性，在给定方向上进行手术。

当前使用的可跟踪部件，无论有源的还是无源的，取决于所使用的技术，都具有较大的尺寸。对于电磁系统来说，壳体导线连接到CAS系统并固定到器具或病人上。对光学系统来说，可跟踪部件通常包括至少三个光学元件。例如，光学元件为导线连接到CAS系统并形成不等边三角形的光源。光源可以单独地固定或安装到基座上。在该第二种结构中，部件较大且有妨碍。

作为一种替代方式，无源反射体球或片可用于代替光源，并利用光源照亮它们(在红外光谱内)

在选择跟踪系统的类型时必须考虑到一些因素：有源可跟踪部件的导线在无菌区域中出现；当使用光学跟踪时导航所需要的视线；手术期间为了实现所需要的精确度的可跟踪部件的尺寸；外科医生对于在计算机屏幕上显现手术过程中的对准信息的需要；外科医生对于将骨骼上的标志数字化以构建坐标系的需要；由于当前光学、电磁或射频传感器的体积而带来的在一次性器具(例如切割导向装置)中将它们集成的难度。

发明内容

因而，本申请的一个目的是提供一种新的可跟踪部件和跟踪系统。

本申请的进一步的目的是将跟踪系统用于计算机辅助手术中。

根据第一实施方式，提供一种用于在手术期间跟踪器具和骨骼的计算机辅助手术系统，其包括：第一可跟踪部件，其具有至少产生基于方向的数据的第一惯性传感器单元；第二可跟踪部件，其具有至少产生基于方向的数据的第二惯性传感器单元，其中，可跟踪部件中的一个连接到器具，可跟踪部件中的另一个连接到骨骼；以及处理单元，其用于从可跟踪部件接收基于方向的数据，该处理单元具有方向计算器，该方向计算器根据两个所述可跟踪部件的基于方向的数据来计算第二可跟踪部件相对于第一可跟踪部件的方向，由此，所述处理单元计算器具相对于骨骼的方向。

进一步，根据第一实施方式，第一可跟踪部件和第二可跟踪部件产生基于位置的数据，并且处理单元存储几何数据，该几何数据至少使可跟踪部件中的一个与骨骼相关联而可跟踪部件中的另一个与器具相关联，由此，方向计算器计算器具相对于骨骼的位置和方向。

再进一步，根据第一实施方式，处理单元实际上为第二可跟踪部件的一部分。

再进一步，根据第一实施方式，第二可跟踪部件具有显示第二可跟踪部件相对于第一可跟踪部件的方向的用户界面。

再进一步，根据第一实施方式，可跟踪部件中的至少一个具有确认指示器，该确认指示器从处理单元接收信号，以可视地显示对来自至少一个可跟踪部件的命令的确认。

再进一步，根据第一实施方式，第一惯性传感器单元为适于附着于骨骼的基于加速度计的单元，用于产生两个方向自由度的方向数据；第二惯性传感器单元为适于附着于骨骼的基于加速度计的单元，用于产生两个方向自由度的方向数据；当骨骼关于第一惯性传感器单元的两个自由度中的仅仅一个的轴转动时，方向计算器确定第一惯性传感器单元和第二惯性传感器单元变化的角速度；以及处理单元进一步包括标定计算器，其用于通过利用所确定的变化的角速度来标定骨骼相对于第一惯性传感器单元的方向，以确定第一惯性传感器单元的第三个方向自由度，由此，骨骼在三个方向自由度上是可跟踪的。

根据第二实施方式，提供一种跟踪物体的三个方向自由度的方法，该方法包括：从附着于物体的基于加速度计的参考跟踪部件接收两个方向自由度的方向数据；从附着于物体的基于加速度计的标定跟踪部件接收两个方向自由度的方向数据；当物体关于参考跟踪部件的两个方向自由度中的仅仅一个的轴转动时，确定参考跟踪元件和标定跟踪元件的变化的角速度；以及通过利用所确定的变化的角速度，来标定物体相对于参考跟踪部件的方向，以确定参考跟踪部件的第三个方向自由度；由此，物体在三个方向自由度上是可跟踪的。

进一步，根据第二实施方式，接收方向数据包括从附着于骨骼的参考和标定跟踪部件接收方向数据。

再进一步，根据第二实施方式，确定参考跟踪部件和标定跟踪部件的变化的角速度包括：显示与关于参考跟踪部件的两个方向自由度中的仅仅一个的轴的变化的角速度有关的数据，以便于引导操作者移动物体。

再进一步，根据第二实施方式，该方法对骨骼模型或尸体执行。

再进一步，根据第二实施方式，在标定后，在界面上，以三个方向自由度显示对物体的跟踪。

再进一步，根据第二实施方式，确定变化的角速度包括：如果关于所述轴的方向变化超出最大值，则拒绝该变化的角速度。

根据第三实施方式，提供一种用于跟踪物体的三个方向自由度的系统，该系统包括：适于附着于物体的基于加速度计的参考跟踪部件，该参考跟踪部件产生两个方向自由度的方向数据；适于附着于物体的基于加速度计的标定跟踪部件，该标定跟踪部件产生两个方向自由度的方向数据；处理单元，其用于从参考跟踪部件和标定跟踪部件接收方向数据，该处理单元包括：方向计算器，其用于在物体关于参考跟踪部件的两个自由度中的仅仅一个的轴转动时确定参考跟踪部件和标定跟踪部件的变化的角速度，以及标定计算器，其用于通过利用所确定的变化的角速度，来标定物体相对于参考跟踪部件的方向，以确定参考跟踪部件的第三个方向自由度；由此，物体在三个方向自由度上是可跟踪的。

进一步，根据第三实施方式，所述系统为计算机辅助手术系统，所述物体为骨骼，并且所述参考跟踪部件和标定跟踪部件附着于骨骼。

再进一步，根据第三实施方式，所述系统包括用户界面，该用户界面用于显示与关于参考跟踪部件的两个方向自由度中的仅仅一个的轴的变化的角速度相关的数据，以引导操作者移动物体。

再进一步，根据第三实施方式，在标定后，用户界面在界面上以三个方向自由度显示对物体的跟踪。

再进一步，根据第三实施方式，如果关于所述轴的方向变化超出最大值，则处理单元拒绝该变化的角速度。

附图说明

图1是根据本申请的一个实施方式的跟踪系统的框图；

图2是根据本申请的另一个实施方式的自封闭跟踪系统的框图；

图3是根据本申请的另一个实施方式的跟踪一对可跟踪部件的跟踪系统的框图；

图4是根据本申请的另一个实施方式的、与可跟踪部件一起使用的自封闭跟踪系统的框图；以及

图5是示出利用图3和图4的跟踪系统跟踪物体的三个方向自由度的方法的流程图。

具体实施方式

参考图1，以12总体示出根据本申请的一个实施方式的MEMS(微机电系统)可跟踪部件，其被固定于被跟踪部分10，例如手术器械或身体部分(例如，骨骼)。

MEMS可跟踪部件12用于跟踪系统(例如CAS跟踪系统)中，并包括跟踪电路20(即，惯性传感单元)、发射器21(或类似的通信电路，例如无线发射器、收发器等等)、以及可选的确认指示器22和无源可跟踪子部件23。除非另外声明，在下文中提及的发射器将包括收发器。

在本公开的一个实施方式中，跟踪电路可以是6自由度(下文称D0F)微电路。跟踪电路20输出与可跟踪部件12的位置和方向有关的数据。

用作跟踪电路20的合适的器件的示例为电容式加速度计传感器(CAPAS)、电解倾斜传感器和三轴传感器(TAS)，等等。通过将CAPAS固定于被跟踪部分10，CAPAS提供被跟踪部分10的加速度(例如，g力)的两轴测量结果。在一个实施方式中，CAPAS的尺寸大小为7.4×7.0×3.5mm。

下文中描述一种方法和系统，用于对基于加速度计的跟踪电路20进行标定，以使基于加速度计的跟踪电路20提供3个方向自由度。在一些应用中，对3个方向自由度的跟踪是足够的——不需要将跟踪电路20配置为提供超过3个方向自由度，或将跟踪电路20连接到提供位置自由度的无源可跟踪部件。

在CAPAS的有源工作状态下，加速度的变化反映CAPAS的方向上的改变。CAPAS的输出是2轴相对角度值(或者，如果CAPAS被标定，则为3轴)。因此，标定过的跟踪电路20或具有两个上述配置的CAPAS的跟踪电路20提供跟踪电路20的实时方向数据，并由此提供被跟踪部分10的实时方向数据。

在另一个实施方式中，可跟踪子部件23可作为可跟踪部件12的一部分提供，以便提供与可跟踪部件12相关的位置数据。因而，由跟踪电路20输出的方向数据与从可跟踪子部件23的跟踪中得到的位置数据组合，以提供被跟踪部分的空间位置和方向。已知的技术，例如超声波、光学元件和射频发送器技术，可被用于可跟踪子部件23。在一个实施方式中，利用了反向反射元件(例如，球，几何形片)。应当指出，当可跟踪子部件23被用于获取位置数据时，需要单个可跟踪子部件23(例如，一个球)。然而，在光学跟踪的情形中，可使用多于一个的可跟踪子部件23，以便提高位置数据的精度，或提高可跟踪部件23的可视性。因而，使用CAPAS作为带有单个可跟踪子部件23的跟踪电路20，可跟踪部件12以紧凑的装置的形式，提供位置和方向的6个自由度。

在另一个实施方式中，使用3轴加速度计以提供可跟踪子部件23的位置数据。通过将线性加速度在时间上积分，可计算出从已知初始位置的偏移，以便提供子部件23的当前位置。

作为用于跟踪电路20的CAPAS的替代，TAS提供位置和方向数据。TAS包括嵌入微电路的三个陀螺仪和三个加速度计。例如，可得到的TAS的物理尺寸为23×32×5mm。因而，使用这些TAS中的一个，就能像一对CAPAS和可跟踪子部件23组合的情况那样，提供位置和方向数据，但是比后者的组合要大。

发射器21连接到跟踪电路20，以将跟踪电路20的跟踪数据发送到CAS系统的处理系统。数据的发送可以是无线的，或可以通过有线连接。可选择在手术环境中工作的技术，例如射频技术，用于发射器21。作为例子，Bluetooth^TM，Zigbee^TM或Wi-Fi发射器由于其广泛的可用性而被考虑，并且它们允许将可跟踪部件12集成到手术器具中。可跟踪部件12可以被制作成单个一次性的单元，其可以集成到植入器具中(例如，用于TKR的一次性的、可自跟踪的切割导向装置)中。作为可替换的实施方式，传感器可以配置为在它们自身之间传递必要的信息。

对可跟踪部件12要考虑的另一个特征是将数据提供给操作者或外科医生的确认指示器22。例如，可以直接在手术器械上提供关于手术器械的适当的位置/方向的指示，以使得有助于外科医生/操作者操作器械的过程。确认指示器22为具有通/断LED(例如，红和绿LED)或者响应于从CAS系统接收的信号或命令的其它合适形式的紧凑电子显示器的电路。在可跟踪部件12使用确认指示器22的实施方式中，发射器21为从CAS系统的处理系统接收信号的收发器。确认指示器22连接到收发器电路以接收信号并将其转换为提供给操作者/外科医生的可视信号。

确认指示器22的另一个实施方式包括一系列的LED或其它合适形式的紧凑的电子显示器，它们将根据固定有可跟踪部件12的器具的位置和方向而被开启。这使得在外科医生/操作者操作各种手术器具时，能够传送各种手术器具的对准/位置信息，从而外科医生不必通过观看计算机屏幕来得到等同的信息。

用作被跟踪部分10的手术器械为记录指示器、切割块、钻孔器、粗锉刀、书写棒等等。

在被跟踪部分10是手术器具的情况下，为了标定具有可跟踪部件12的被跟踪部分10，使器具的顶端紧靠着参考点(标定标志)以使CAS系统能够跟踪器具的方向。其它类型的标定也可以被应用于可跟踪部件12。例如，下文中参考图5描述了一种用于标定被跟踪部分10的方向的方法。

仍然参考图1，包含可跟踪部件12的跟踪系统总体上以100示出，且其与一个或多个可跟踪部件12一起使用。跟踪系统可以是计算机辅助手术系统(CAS系统)，并具有处理单元101，其典型地包括具有处理器的计算机。接收器102设置在处理单元101，以便从可跟踪部件12接收位置/方向数据信号。在可跟踪部件12具有确认指示器22的实施方式中，接收器201为向可跟踪部件12发送确认信号的收发器。

控制器104连接到接收器102。因此，控制器104从接收器102接收信号数据。

位置/方向计算器105用于将从接收器/发送器102接收的信号数据转换为可跟踪部件12的位置/方向数据。更具体地，如果跟踪电路20为CAPAS的组合或标定后的CAPAS，则信号数据将被转换为可跟踪部件12的方向。如果跟踪电路20为TAS，则信号数据将被转换为可跟踪部件12的位置和方向。

为给定的CAS应用、物体的轴和坐标系提供几何数据库106，以便存储标定数据和其它外科手术进行时发生的数据，例如利用记录指示器定义的骨骼模型。因而，当对于应用需要位置数据时，标定数据因此为被跟踪部分10和可跟踪部件12之间的关系。在使用可跟踪子部件23的实施方式中，标定数据包括使可跟踪子部件23与被跟踪部分10关联的几何数据。

因而，在需要位置数据的应用中，控制器104从位置/方向计算器105接收位置/方向数据，并利用由数据库106提供的关系数据计算被跟踪部分10的位置/方向。相应地，控制器104将位置/方向数据输出到用户界面110。

在可跟踪子部件23与一对CAPAS或标定过的CAPAS组合应用的实施方式中，处理单元101可选地具有传感器单元107(例如，光学传感器装置)，提供该传感器单元以便跟踪可跟踪部件12的可跟踪子部件23。典型地，传感器单元107包括一对传感器(例如，Navitrack^TM)。

位置计算器108可与控制器104相关联地提供。位置计算器108从控制器104接收跟踪数据，其中跟踪数据是从传感器单元107进行的跟踪得到的。利用由数据库106提供的几何数据，位置计算器108计算被跟踪部分10的位置。

被跟踪部分10的位置被发送到控制器104，并与被跟踪部分10的方向相联合，由此，控制器104产生被跟踪部分10的位置和方向。

跟踪系统10可设置有标定计算器109。如图3和图4所示的，标定计算器109与一对2方向自由度可跟踪部件12(例如CAPAS)一起使用，并且标定可跟踪部件12中的一个，以获知并可以跟踪方向的第三个自由度。

该信息被发送到用户界面110，使得系统100的用户得到使用计算机辅助手术已知的各种形式(例如，视觉表示、诸如角度、距离等的数值)的、与被跟踪部分的位置和方向相关的信息。应当指出，数据库106也可以是控制器104的一部分。

参考图2，以12’示出了可跟踪部件的一个实施方式，其中自封闭的处理单元连接到被跟踪部分10。可跟踪部件12’具有上述的用于可跟踪部件12的跟踪电路20、收发器21和确认指示器22，而且还具有控制器104、位置/方向计算器105、几何数据库106、标定计算器109以及用户界面110，所有的部件都处于直接固定到被跟踪部分10的紧凑的自封闭的壳体内。相应地，收发器21用于与在手术过程中同时使用的其它可跟踪部件12’共享信息。

在图3和图4的实施方式中，至少两个可跟踪部件12/12’结合使用，其中可跟踪部件12’中的第一个被固定于骨骼或其它身体部分，而可跟踪部件12/12’中的第二个被安装于器械/器具，或者为了标定而安装于骨骼。因此，骨骼的可跟踪部件12’的跟踪电路20可捕捉到骨骼的任何偏移，该信息被发送到器械/器具上的可跟踪部件12’。在可跟踪部件12’之间共享跟踪数据，以使得在用户界面110上提供的信息表示骨骼和器械/器具之间的相对偏移。

在一些情况下，仅仅需要骨骼和器具之间的方向(例如，轴)。在这种情况下，可跟踪部件12’的跟踪电路21方便地使用CAPAS。

参考图5，提供一种标定具有加速度计的可跟踪部件12/12’的方法，该加速度计提供2个方向自由度的方向数据，以便提供可跟踪部件12/12’的第三个自由度。

如图3-5所示，该方法包括：提供两个具有加速度计的可跟踪部件12/12’，以及将两个可跟踪部件12/12’都安装到物体10上。可跟踪部件12/12’中的一个为参考跟踪部件，另一个为标定跟踪部件。相应地，可跟踪部件12/12’都产生与物体相关的2个自由度的方向数据。

根据150和154，来自于两个可跟踪部件12/12’的方向数据由跟踪系统100的处理单元接收。然后操作者使物体进行运动，以使物体关于可跟踪部件12/12’的一个自由度移动。例如，参考跟踪部件12/12’被手动地限制运动，使得两个自由度中的一个方向不变，而两个自由度中的另一个方向和由标定跟踪部件12/12’跟踪的两个自由度的方向变化。

根据158，如上所述，当物体10关于参考跟踪部件的两个方向自由度中的仅仅一个的轴转动时，跟踪系统100的处理单元确定参考跟踪部件12/12’和标定跟踪部件12/12’的变化的角速度。

利用这些角度的变化，跟踪系统100的处理单元可以确定参考跟踪部件12/12’的第3个自由度。相应地，在162处，跟踪系统100的处理单元通过利用所确定的变化的角速度，相对于参考跟踪部件12/12’标定物体的方向，以确定参考跟踪部件12/12’的第3个方向自由度。利用该标定过程，通过由参考跟踪部件12/12’提供的跟踪数据，物体10在3个方向自由度上都是可跟踪的。

该方法包括：定义与重力矢量和参考跟踪部件12/12’的一个轴对准的局部坐标系，限定参考跟踪部件12/12’的第3个自由度。在上述所限定的转动之前和之后，参考跟踪部件12/12’和标定跟踪部件12/12’的方向可以在该局部坐标系中表示。这提供了完全确定的方程系统，其具有与在限定的转动之前和之后的局部坐标系中的标定跟踪部件12/12’的第3个自由度相应的两个未知量。求解该方程系统给出了与参考跟踪部件12/12’有关的标定跟踪部件12/12’的全部三个自由度。

对于图5的方法，优选地，参考跟踪部件12/12’和标定跟踪部件12/12’的两个方向自由度中的任何一个轴都不对准。而且，优选地，在158，使物体进行较大幅度的移动，这是因为他们的移动将导致变化的角速度的值较大。利用较大的变化的角速度，在标定第3个自由度时可获得更高的精确度。

虽然对于与参考跟踪部件12/12’的转动轴相关的自由度不存在变化的角速度是优选的，但是微小的误差可以被接受。在收集用于标定的数据期间，可编程处理单元101，从而当转动轴的方向的角度变化超出最大阈值时，不接受用于标定的跟踪数据。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于在手术期间跟踪器具和骨骼的计算机辅助手术系统，其包括：

第一可跟踪部件，其具有至少产生基于方向的数据的第一惯性传感器单元，所述第一惯性传感器单元为适于附着于所述骨骼、用以产生两个方向自由度的方向数据的基于加速度计的单元；以及

第二可跟踪部件，其具有至少产生基于方向的数据的第二惯性传感器单元，所述第二惯性传感器单元为适于附着于所述骨骼、用以产生两个方向自由度的方向数据的基于加速度计的单元；以及

处理单元，其用于从可跟踪部件接收基于方向的数据，所述处理单元具有：

方向计算器，其根据两个所述可跟踪部件的基于方向的数据计算所述第二可跟踪部件相对于所述第一可跟踪部件的方向，在所述骨骼在空间中移动后，所述方向计算器确定所述第一惯性传感器单元和所述第二惯性传感器单元的变化的角速度，

标定计算器，其用于通过利用所确定的变化的角速度，标定所述骨骼相对于所述第一惯性传感器单元的方向，以确定所述第一惯性传感器单元的第三个方向自由度；

由此，可在三个方向自由度上跟踪所述骨骼。

2.根据权利要求1的计算机辅助手术系统，其中，所述第一可跟踪部件和所述第二可跟踪部件产生基于位置的数据，并且所述处理单元存储几何数据，该几何数据至少使可跟踪部件中的一个与所述骨骼相关联并使可跟踪部件中的另一个与所述器具相关联，由此所述方向计算器计算所述器具相对于所述骨骼的位置和方向。

3.根据权利要求1的计算机辅助手术系统，其中，所述处理单元实际上是所述第二可跟踪部件的一部分。

4.根据权利要求3的计算机辅助手术系统，其中，所述第二可跟踪部件具有用于显示所述第二可跟踪部件相对于所述第一可跟踪部件的方向的用户界面。

5.根据权利要求1的计算机辅助手术系统，其中，可跟踪部件中的至少一个具有确认指示器，所述确认指示器从所述处理单元接收信号以视觉显示对来自至少一个可跟踪部件的命令的确认。

6.一种用于跟踪物体的三个方向自由度的方法，该方法包括：

从附着于物体的基于加速度计的参考跟踪部件接收两个方向自由度的方向数据；

从附着于物体的基于加速度计的标定跟踪部件接收两个方向自由度的方向数据；

当物体关于所述参考跟踪部件的两个方向自由度中的仅仅一个的轴转动时，确定所述参考跟踪部件和所述标定跟踪部件的变化的角速度；以及

通过利用所确定的变化的角速度，标定物体相对于所述参考跟踪部件的方向，以确定所述参考跟踪部件的第三个方向自由度；

由此，可在三个方向自由度上跟踪物体。

7.根据权利要求6的方法，其中，接收方向数据包括从附着于骨骼的所述参考跟踪部件和所述标定跟踪部件接收方向数据。

8.根据权要求6的方法，其中，确定所述参考跟踪部件和所述标定跟踪部件的变化的角速度包括：显示与关于所述参考跟踪部件的两个方向自由度中的仅仅一个的轴的变化的角速度有关的数据，以指导操作者移动物体。

9.根据权利要求8的方法，进一步包括对骨骼模型或尸体执行该方法。

10.根据权利要求6的方法，进一步包括在标定后以三个方向自由度在界面上显示对物体的跟踪。

11.根据权利要求6的方法，其中，确定变化的角速度包括：如果关于所述轴的方向变化超过最大值，则拒绝变化的角速度。

12.一种用于跟踪物体的三个方向自由度的系统，该系统包括：

适于附着于物体的基于加速度计的参考跟踪部件，所述参考跟踪部件产生两个方向自由度的方向数据；

适于附着于物体的基于加速度计的标定跟踪部件，所述标定跟踪部件产生两个方向自由度的方向数据；

用于从所述参考跟踪部件和所述标定跟踪部件接收方向数据的处理单元，所述处理单元包括：

方向计算器，其用于当物体关于所述参考跟踪部件的两个方向自由度中的仅仅一个的轴转动时，确定所述参考跟踪部件和所述标定跟踪部件的变化的角速度；以及

标定计算器，其用于通过利用所确定的变化的角速度来标定物体相对于所述参考跟踪部件的方向，以确定所述参考跟踪部件的第三个方向自由度；

由此，可在三个方向自由度上跟踪物体。

13.根据权利要求12的系统，其中，所述系统是计算机辅助手术系统，所述物体是骨骼，并且所述参考跟踪部件和所述标定跟踪部件附着于所述骨骼。

14.根据权利要求12的系统，进一步包括用户界面，其用于显示与关于所述参考跟踪部件的两个方向自由度中的仅仅一个的轴的变化的角速度有关的数据，以指导操作者移动物体。

15.根据权利要求14的方法，其中，所述用户界面在标定后以三个方向自由度在界面上显示对物体的跟踪。

16.根据权利要求12的方法，其中，如果关于所述轴的方向变化超出最大值，则所述处理单元拒绝变化的角速度。

Claims

第一可跟踪部件，其具有至少产生基于方向的数据的第一惯性传感器单元；以及

第二可跟踪部件，其具有至少产生基于方向的数据的第二惯性传感器单元，其中可跟踪部件中的一个连接到所述器具，可跟踪部件中的另一个连接到骨骼；以及

处理单元，用于从可跟踪部件接收基于方向的数据，所述处理单元具有方向计算器，所述方向计算器根据两个所述可跟踪部件的基于方向的数据，计算第二可跟踪部件相对于第一可跟踪部件的方向，由此所述处理单元计算所述器具相对于所述骨骼的方向。

6.根据权利要求1的计算机辅助手术系统，其中所述第一惯性传感器单元为适于附着于所述骨骼、用以产生两个方向自由度的方向数据的基于加速度计的单元；

所述第二惯性传感器单元为适于附着于所述骨骼、用以产生两个方向自由度的方向数据的基于加速度计的单元；

所述方向计算器，当所述骨骼关于所述第一惯性传感器单元的两个自由度中的仅仅一个的轴转动时，确定第一惯性传感器单元和第二传感器单元的变化的角速度；以及

所述处理单元进一步包括标定计算器，其用于通过利用所确定的变化的角速度标定所述骨骼相对于所述第一惯性传感器单元的方向，以确定所述第一惯性传感器单元的第三个方向自由度，由此可在三个方向自由度上跟踪所述骨骼。

7.一种用于跟踪物体的三个方向自由度的方法，该方法包括：

由此，可在三个方向自由度上跟踪物体。

8.根据权利要求7的方法，其中，接收方向数据包括从附着于所述骨骼的所述参考跟踪部件和所述标定跟踪部件接收方向数据。

9.根据权利要求7的方法，其中，确定所述参考跟踪部件和所述标定跟踪部件的变化的角速度包括：显示与关于所述参考跟踪部件的两个方向自由度中的仅仅一个的轴的变化的角速度有关的数据，以指导操作者移动物体。

10.根据权利要求9的方法，进一步包括对骨骼模型或尸体执行该方法。

11.根据权利要求7的方法，进一步包括在标定后以三个方向自由度在界面上显示对物体的跟踪。

12.根据权利要求7的方法，其中，确定变化的角速度包括：如果关于所述轴的方向变化超过最大值，则拒绝变化的角速度。

13.一种用于跟踪物体的三个方向自由度的系统，该系统包括：

由此，可在三个方向自由度上跟踪物体。

14.根据权要求13的系统，其中，所述系统是计算机辅助手术系统，所述物体是骨骼，并且所述参考跟踪部件和所述标定跟踪部件附着于所述骨骼。

15.根据权利要求13的系统，进一步包括用户界面，其用于显示与关于所述参考跟踪部件的两个方向自由度中的仅仅一个的轴的变化的角速度有关的数据，以指导操作者移动物体。

16.根据权利要求15的方法，其中，所述用户界面在标定后以三个方向自由度在界面上显示对物体的跟踪。

17.根据权利要求13的方法，其中，如果关于所述轴的方向变化超出最大值，则所述处理单元拒绝变化的角速度。